UNIVERSIDAD MARITIMA INTERNACIONAL DE PANAMA

FACULTAD DE CIENCIAS NAUTICAS

ESCUELA DE CONSTRUCCION NAVAL

INVESTIGACIÓN DE DISEÑO NAVAL

BOW THRUSTER: SISTEMA DE HÉLICES DE PROA

PROFESOR:

Ing. Gonzalo Arriagada

INTEGRANTES:

Lara, Liseth

Castrillon, Brian

III CONSTRUCCIÓN NAVAL

MIÉRCOLES 25 DE JUNIO DE 2010.

Índice Introducción

Sistemas de maniobra con hélices de proa 1 Características generales

2. Ubicación

3. Tolerancias

4. Materiales

5. Componentes y elementosSellos

5.1. Sellos

5.2. Cojinetes o rodamientos

5.3. Engranajes 5.4 Apertura de los túneles 5.5. Rejillas del túnel 5.6. Acoplamientos elásticos

6. Sistema de lubricación 6.1. Llenado de aceite

6.2. Filtro separador

7 Sistemas de motores de las hélices de proa 7.1 Motores eléctricos 7.11 Motores de corriente continúa 71.2 Motores síncronos

8 Motores asíncronos de jaula de ardilla 8.1 Curvas características- característica mecánica 8.2 Característica de velocidad 8.3 Característica de carga 8.4 Arranque de motores asíncronos de jaula de ardilla

9 Motores hidráulicos 9.1 Sistemas de potencia hidráulica 9.2 Ventajas de los motores hidráulicos 9.3 Otras alternativas

10 Mantenimiento del sistema mecánico de las hélices 10.1 Hélices de proa 10.2 Ruidos y vibraciones 10.3 Corrosión

11 Mantenimiento del sistema eléctrico

12 Mantenimiento del sistema hidráulico

13 Conclusión

INTRODUCCIÓN

Desde la antigüedad los puertos han sido considerados las puertas de acceso de las

mercancías a tierra, por eso es de primordial importancia construirlos con suma

delicadeza y dedicación.

Paulatinamente los puertos fueron incorporando nuevas instalaciones adecuadas a las

necesidades impuestas por el creciente tráfico marítimo, que hicieron de ellos,

complejas unidades técnicas y comerciales.

El descubrimiento de América y la posterior apertura de nuevas rutas marítimas y

comerciales aumentaron el tamaño y calado de los buques, lo que obligó, a partir del

siglo XVI, a la construcción de muelles para facilitar la carga y descarga de

mercancías. Durante el siglo XIX, la utilización masiva del vapor en los buques, en

lugar del viento o la fuerza humana, permitió aumentar notablemente su tonelaje y

capacidad de carga, y como consecuencia, tecnificar más todas las instalaciones

portuarias.

En la actualidad, un puerto de mediana importancia tiene que disponer de servicios de

almacenamiento de mercancías, con las instalaciones necesarias para la conservación

de los artículos perecederos, como por ejemplo grandes frigoríficos, faros con estación

de señales, rompeolas naturales o artificiales para proteger la entrada y salida de los

buques de gran tonelaje o con mercancías peligrosas, diques flotantes y secos para

reparaciones y limpieza de cascos y fondos, muelles de atraque con grúas de distintas

capacidades, dársenas para remolcadores, así como cuantas otras instalaciones

adecuadas a determinados cargamentos y rutas.

De este modo, los puertos se han convertido en maravillas de la ingeniera para poder

cubrir todas las necesidades del tráfico comercial. Precisamente en atención a esta

importancia de los puertos y en aras a su mayor eficiencia, es necesario agilizar las

distintas tareas que en él se llevan a cabo, a saber entre las más importantes, las

maniobras de los buques. En este punto, los ingenieros de buques han puesto todos

sus conocimientos disponibles para reducir el tiempo en puerto, así como también el

tiempo de atraque y desatraque de los buques. Es por eso, que la innovación y

expansión de la ingeniería naval más moderna, se ha centrado en el estudio y

desarrollo de las hélices principales, timones y hélices de proa para facilitar la

maniobra en puerto.

En este trabajo se trata pues, de uno de los elementos primordiales que facilitan las

maniobras de atraque y desatraque de muchos buques modernos, el sistema de

propulsores o hélices de proa.

SISTEMAS DE MANIOBRA CON HÉLICES DE PROA

1 Características generales. Las hélices de proa en túnel han sido introducidas debido a la gran demanda impuesta por los grandes buques a la hora de facilitar las maniobras en los puertos. Mientras que los yates de recreo de eslora reducidos disponen de estos sistemas en las popas de los buques, los grandes buques mercantes de esloras considerables tienen las hélices ubicadas en la zona de proa para aumentar el momento. La filosofía de estas hélices está basada en albergar grandes eficiencias con el menor diámetro posible del túnel, fácil maniobrabilidad con un control dinámico de la potencia y mantenimiento reducido.

Vista general del sistema

Las hélices de proa son hélices normalmente accionadas por un motor eléctrico o hidráulico de gran potencia. Como se aprecia en las siguientes imágenes, este tipo de propulsores, acepta tanto instalaciones de accionamiento vertical como horizontal, lo que permite optimizar el alojamiento del motor propulsor, y asegurar una instalación económica que economiza espacio.

Tipos de accionamientos.

Por su parte, es necesario que el plano de la hélice se encuentre totalmente sumergido y en la línea de crujía. Los barcos mercantes que necesitan potencias elevadas en las hélices de proa, se les recomienda utilizar dos propulsores de proa más pequeños antes que una hélice dos veces más grande. Ésta última puede reducir el rendimiento en los casos en que el buque tenga el calado instantáneo muy bajo, ya que puede no quedar totalmente sumergida. Dos o más propulsores pueden funcionar al unísono (con algunos segundos de desfase), como si se tratara de una única hélice.

Por lo que respecta a los caracteres de estas hélices, normalmente reúnen los siguientes:

En cuanto al número de palas que la conforman, se recomiendan el uso de 4 palas. En algunos casos, el número de palas de este tipo de elementos propulsivos está relacionado con el número de palas del propulsor principal. En estas condiciones, debe existir asimetría para evitar posibles ruidos y vibraciones, de lo contrario, los armónicos producidos individualmente coinciden y el sistema puede entrar en resonancia.

Respecto a su ubicación y con éste mismo fin, este tipo de hélices se recomienda colocarlas en el interior de un doble túnel consiguiendo reducir el ruido entre 11 y 15 dB.

En referencia a su diseño, también el área de la hélice y las formas de sus palas reducen el volumen de la cavitación y minimizan el ruido optimizando los niveles de confort dentro del buque. Las palas de este tipo de hélices suelen ser bastante simétricas si las comparamos con las palas de los propulsores principales, esto se debe a que este tipo de

propulsor puede tener que girar en ambos sentidos, con la misma probabilidad, a izquierdas y a derechas.

Por lo que respeta a su entorno, cada hélice está rodeada de un envoltorio (parte del túnel) que puede ser reemplazado por completo dentro del túnel sin necesidad de modificar la estructura del casco.

En cuanto a la tipología de palas, las hélices de paso variable necesitan de sistemas muy complejos de funcionamiento que no son rentables, ya que este tipo de hélices están caracterizadas por su corto tiempo de utilización; es por eso que estos sistemas están dotados en su mayoría por hélices de palas fijas.

En la descripción de este tipo de hélices es importante nombrar que existe un tipo de hélices en concreto con unos diseños específicos cuya característica principal es proporcionar una elevada fuerza (“potencia”). Estas hélices coloquialmente se conocen con el nombre de hélices de empuje o hélices de potencia.

Hélices de proa.

2 Ubicación.

Es necesario ubicar estas hélices en la zona de proa, para aumentar el momento de giro efectivo alrededor del centro natural de la embarcación, y en la línea de crujía para conseguir igualdad de empuje a babor o estribor. Esta disposición proporciona al buque la posibilidad de realizar un giro con el centro del buque en reposo, o de realizar un desplazamiento transversal, lo que evita la necesidad de remolcadores.

Los compartimentos de este tipo de hélices suelen estar delimitados en proa por un mamparo estanco y en popa por un mamparo de colisión, destinados a evitar el paso de agua hacia los otros recintos contiguos en caso de que exista una vía de agua.

3 Tolerancias.

Existe una clasificación para las hélices que determina las tolerancias que deben tener, de acuerdo con las necesidades de un buque. La norma ISO 484/2-1981 establece las tolerancias para la fabricación de hélices en todas sus dimensiones geométricas, y las divide en las siguientes clases: S, I, II y III; de las cuales, las más precisas son las de clase ISO S. Las dimensiones geométricas de una hélice son: el radio, el paso, la desviación angular, el espesor, la longitud de las secciones y el diámetro.

4 Materiales.

Las hélices pueden estar construidas de muchos tipos de materiales, los más usuales y utilizados son los derivados del aluminio, los aceros, el titanio, el bronce o los materiales compuestos.

El aluminio como material puro no se puede utilizar en la construcción de hélices debido a su blandura, ya que no soporta adecuadamente la cavitación. Además se trata de un metal muy activo con tres electrones de valencia, de tal manera, que en contacto con el aire se oxida rápidamente la superficie del metal. Por lo tanto, es necesario alearlo con el cobre, magnesio, manganeso, níquel, silicio, bromo y zinc para que adquiera nuevas propiedades.

Existen muchos tipos de aceros utilizados en la industria naval, cuyas propiedades varían en función del porcentaje de la mezcla de la aleación, las cantidades más usuales oscilan entre el 0,1 – 0,8% C; 0,15 – 0,30% Si; 0,30-0,70% Mg; 0,04% S; 0,04% P.

En función del tratamiento térmico en el proceso de fabricación los aceros se pueden clasificar en: aceros laminados, aceros de alta resistencia, aceros especiales, aceros forjados y aceros fundidos, todos ellos utilizados en la industria naval y formando distintas aleaciones en función de las necesidades.

5 Componentes y elementos.

Tal y como se muestra en el corte longitudinal de la siguiente imagen, existen dos partes en una hélice de proa claramente diferenciadas. La primera, está formada por la caja de engranajes y la unidad propulsiva lateral, que a su vez está soldado a la sección del casco. En esta parte se encuentra el eje vertical que en su extremo tiene un engranaje cónico que engrana con el eje horizontal, de este modo produce el giro de las palas de la hélice. Todos estos ejes llevan además unos cojinetes troncocónicos para facilitar el rodamiento de éstos, este sistema interno debe estar lubricado, apreciándose también en el dibujo los tubos de entrada y salida del aceite. Para el control de todo el sistema, en el extremo posterior, se aloja un sensor de giro que indica el movimiento de la hélice.

La segunda parte, coloreada en color ocre, está formada por el núcleo y las palas de la hélice, y es la parte encargada de producir el empuje. Esta parte de la hélice está colocada en el exterior del casco y dentro del túnel. El núcleo de la hélice esta solidaria al eje de la caja propulsora para transmitir el giro, las palas por su parte, están atornillados al núcleo.

Visualización del interior de la hélice.

5.1 Sellos.

Los sellos de este tipo de hélices han de ser de alta calidad y colocados en el eje del propulsor. Los piñones del eje deben ir provistos de sistemas para impedir el paso del agua pero no el del aceite ya que deben estar bien lubricados, además éste tipo de sellos deben tener la característica de poder ser limpiados sin desmontar la unidad completa.

En algunos modelos, los sellos están fabricados de grafito. Este material es frágil pero resistente a arañazos, picaduras, etc. Su inconveniente es que el uso en el medio marino, puede crear corrosión galvánica con los materiales de la línea de ejes, normalmente con el acero inoxidable. Algunos fabricantes desaconsejan el uso del grafito cuando está en contacto con acero inoxidable

Estos sellos, disponen de un anillo con una cara biselada y un anillo de fricción de deslizamiento. Cualquier vibración o desalineación provocará el desgaste cónico convirtiéndolo en forma oval o elíptica, por eso es necesario reducir al máximo la vibraciones y desalineaciones.

5.2 Cojinetes o rodamientos.

Un cojinete es un elemento mecánico cuya finalidad es reducir la fricción entre un eje y las piezas conectadas a éste, que le sirve de apoyo y facilita su desplazamiento. Los cojinetes, también denominados rodamientos, pueden ser de movimiento rotativo o radial según soporten esfuerzos rotativos o radiales respectivamente.

5.2 Rodamientos de rodillos troncocónicos.

Los rodamientos utilizados en el sistema de hélices de proa, son los rodamientos de rodillos troncocónicos, que están diseñados para soportar cargas radiales y axiales simultáneas, además para los casos en que la carga axial es muy importante hay una serie de rodamientos cuyo ángulo es muy abierto y así soportar mejor ésta carga. Los rodillos troncocónicos deben montarse en oposición con otro rodamiento capaz de soportar los esfuerzos axiales en sentido contrario.

Rodamientos de rodillos cilíndricos de empuje.

Son los más apropiados para aplicaciones que deben soportar cargas axiales muy pesadas; además, son insensibles a los choques, son fuertes y requieren poco espacio axial. Los rodillos cilíndricos de empuje son rodamientos de una sola dirección y solamente pueden aceptar cargas axiales en una dirección.

Rodamientos de rodillos cilíndricos.

Un rodamiento cilíndrico está formado por una hilera de rodillos. Estos rodillos songuiados por las pestañas de uno de los aros.

5.3 Engranajes.

Un engranaje es un mecanismo utilizado para transmitir potencia de un componente a otro dentro de una máquina. Sirve para transmitir movimiento circular mediante contacto de ruedas dentadas. Una de las aplicaciones más importantes de los engranajes es la transmisión del movimiento desde un eje hasta otro eje situado a cierta distancia y que ha de realizar un trabajo.

5.4 Apertura de los túneles.

Este tipo de hélices deben ir montadas en aperturas de forma redondeada o cónica. Esto hace aumentar el empuje neto disponible y reducir la excitación de la hélice y cavitación, con la correspondiente reducción de vibración y ruido.

Forma de los túneles y salientes.

5.5 Rejillas del túnel.

Las rejillas están formadas por barras colocadas verticales y horizontalmente unidas entre ellas, las primeras deben estar orientadas a 90º con respecto a la dirección local del flujo de agua con la finalidad de minimizar la resistencia del casco. La distancia entre ellas está comprendida entre los 200 y 560 mm. En cambio, las segundas están orientadas a 90º en relación con las verticales y la distancia entre ellas es la misma que la distancia entre las verticales.

5.6 Acoplamientos elásticos.

El sistema de hélices que se describe en el trabajo contiene acoplamientos elásticos para embragues totalmente taladrados. Este tipo de acoplamiento sirve para la transmisión de potencia y el par de giro que existe entre dos ejes o bridas conectados a través de este susodicho acoplamiento.

Los acoplamientos de perno rotativo-elásticos son capaces de compensar pequeñas desalineaciones en los ejes, causadas por ejemplo, por imprecisiones en la fabricación, dilatación térmica, etc.

6 Sistema de lubricación

El sistema de propulsión lateral, al igual que todos los sistemas mecánicos, necesita de lubricación para reducir al mínimo el rozamiento y conseguir un Sistema de hélices de proa 21 Rendimiento óptimo. Para ello, el equipo dispone de todo un circuito lubricante, formado por un tanque-almacén de aceite que alimenta el sistema por gravedad, una bomba lubricante, tuberías, válvulas y tanques de drenaje.

6.1. Llenado de aceite. Mantener el nivel del tanque de aceite en su correcta posición es de primordial importancia para conseguir un correcto funcionamiento del sistema. El llenado del tanque de aceite se suele hacer manualmente, rellenando el tanque de gravedad hasta llegar al nivel correcto del indicador y con aceite filtrado.

6.2. Filtro separador El sistema de lubricación de la hélice de proa también dispone de un filtro separador, este elemento se utiliza para los aceites hidráulicos, aceites lubricantes y aceites de engranajes con un peso específico más bajo que el del agua. Estos filtros son ideales para la separación de agua, eliminación de partículas y productos de la degradación del aceite.

Filtro separador

7 SISTEMAS DE MOTORES DE LAS HÉLICES DE PROA

7.1 Motores eléctricos.

Los propulsores de túnel eléctricos con hélice de paso fijo están disponibles para un rango muy amplio de potencias. Todos ellos están diseñados para la funcionar ya bien sea con corriente continua (a partir de ahora CC) o con corriente alterna (a partir de ahora CA).

Como regla general, una hélice de proa debe ser capaz de producir una fuerza de empuje suficiente para trasladar dos o tres veces el área de la sección transversal del buque, por debajo de la línea de flotación.

Los motores eléctricos que se usan son los de corriente continua, los síncronos y los asíncronos. Respecto los dos primeros haremos una simple definición, los que más nos interesan son.

7.1.1 Motores de Corriente Continua.

El motor de corriente continua es alimentado por una fuente de corriente continua, y normalmente es trifásico, esto significa que un motor de CC normalmente debe ser alimentado a partir de rectificar corriente trifásica. La forma de rectificar permite controlar la velocidad del motor. Como inconveniente, los motores serie, que son los que dan más par de arranque, suelen presentar más problemas de mantenimiento que los que siguen.

7.1.2. Motores Síncronos.

La máquina síncrona se utiliza en las grandes unidades de propulsión, por lo general entre 5 y 10MW y necesitan un método de arranque más específico.

8. Motores asíncronos de jaula de ardilla.

El motor asíncrono o de inducción es el “todo terreno” de la industria. Su diseño robusto y simple, en la mayoría de los casos asegura una larga vida con un mínimo de averías y de mantenimiento. El motor asíncrono se utiliza en aplicaciones, ya sea como un motor de velocidad aproximadamente constante conectado directamente, o como un motor de velocidad variable. La principal aplicación de los motores de inducción es como motor de velocidad prácticamente constante conectado directamente, por lo que es muy importante conocer bien su funcionamiento.

El principio de funcionamiento de los motores asíncronos está basado en la creación de un campo magnético giratorio al alimentar los devanados estatóricos con tensiones trifásicas simétricas y equilibradas de pulsación ωs=2πfs (rad/s), para circular por ellos intensidades simétricas, equilibradas y de la misma pulsación ωs. Estas corrientes, debido a la distribución de los tres devanados estatóricos crean un campo magnético rotativo constante, el cual equivale a un imán giratorio, que girará a la velocidad ωs (rad/s).

8.1 Curvas características – característica mecánica.

Los valores comparativos más importantes para la valoración y elección de los motores son el par (Γ), el factor de potencia (cosφ), el rendimiento (η), la intensidad de la corriente absorbida (I), la velocidad de giro (n) y la potencia (P).

Curva característica mecánica.

En la curva se puede observar que en el arranque, s=1 o n=0, el par motor es pequeño. A medida que la máquina aumenta su velocidad el par motor aumentará desde el par de arranque hasta un valor máximo para, posteriormente reducirse hasta cero.

De la anterior gráfica se puede deducir que:

La zona de funcionamiento nominal de los motores corresponde al tramo de la curva comprendido entre 0.07 y 0.02 ns.

El par correspondiente a la velocidad nula, n=0, sería el par que proporcionaría el motor en el arranque Γarr. Si dicho par es superior al par resistente que debe vencer la máquina ésta arrancará, en caso contrario la máquina no arrancaría y podría llegar a quemarse por un excesivo consumo de corriente. El par de arranque suele ser mayor que el par nominal, pudiendo llegar a ser del orden de tres veces el nominal, clasificándose los motores en diferentes tipos según el valor de esta relación.

El par máximo que proporciona la máquina se denomina par límite o crítico que debe ser como mínimo 1,6 veces mayor que el par nominal. Esta relación se denomina coeficiente de estabilidad, el cual es necesario que se mantenga por encima de 1,6 para evitar que cualquier variación en el par resistente supere al par máximo y provoque la parada de la máquina.

8.2Característica de velocidad.

La característica de velocidad es aquella que proporciona el consumo de intensidad en función de la velocidad. La intensidad (I) que se precisa para arrancar es muy elevada e irá decreciendo rápidamente al aumentar su velocidad. Esto es debido a que antes de que arranque la máquina la variación de flujo que ve el rotor es máxima, y por tanto, la tensión/corriente inducida es muy elevada, pero a medida que aumenta la velocidad de la máquina esa variación de flujo disminuye, y la tensión/corriente inducida también.La gran intensidad de la corriente de arranque y el reducido par de arranque son características desfavorables de los motores asíncronos.

Curva característica de velocidad

8.3 Características de carga.

De las características de carga se puede deducir el comportamiento del motor en vacío y cuando está cargado.

El factor de potencia (cosφ), caracteriza el desfase entre la tensión de alimentación de los devanados (U) y la intensidad que circula por los devanados (I), y está relacionado con la potencia absorbida por el motor.

Tal como se puede ver en la figura, el factor de potencia (cosφ) en vacío es muy pequeño, pues se precisa muy poca potencia activa y predomina la potencia reactiva de los devanados. Al aumentar la carga también aumenta su factor de potencia, alcanzando a plena carga un valor de 0.93 para este tipo de motores. Dentro de los límites normales de utilización, comprendidos ente vacío y plena carga, el factor de potencia mejora con la carga.

8.4 Arranque de motores asíncronos de jaula de ardilla.

El arranque de un motor de inducción se produce cuando se conecta la tensión adecuada a los devanados del estator. En este instante, como ya se ha comentado, la intensidad es muy elevada.

Los devanados del motor, en general, soportan bien las fuertes intensidades de arranque, ya que, por un lado, las barras del devanado del rotor tienen bastante sección y, por otro, el arranque se realiza en pocos segundos, no dando tiempo a que puedan alcanzarse temperaturas elevadas que superen límites admisibles.

Los motores trifásicos asíncronos de 380V y potencias nominales superiores a 5,5 kW no es recomendable que se arranquen directamente de la red, porque de lo contrario las corrientes de arranque provocarían una fuerte sobrecarga en la línea de alimentación, que podría dañarla. Además, se presenta una gran caída de tensión a lo largo de la línea, que podría perjudicar a otras cargas conectadas a la misma red de alimentación del motor.

En el caso de los motores de jaula de ardilla puede ocurrir que estén preparados de fábrica con una doble jaula, para poder aumentar la resistencia del rotor durante el arranque, y con ello, disminuir la corriente. En los casos en que no existe esta doble jaula, no se podrán modificar desde el exterior los fenómenos que se producen en el rotor, y todos los métodos de arranque actuarán sobre el devanado del estator.

9. Motores hidráulicos.

Los sistemas hidráulicos de hélices en túnel son utilizados para cualquier rango de potencia, como los motores eléctricos. La transmisión hidráulica proporciona un sistema control de la velocidad de la hélice en ambas direcciones, eliminando así la necesidad de hélices de paso variable. En estos sistemas de hélices, los ejes están directamente impulsados por un motor de propulsión hidráulica. El motor está situado dentro de un envoltorio seco.

El accionamiento hidráulico es extremadamente resistente a los daños exteriores. Los objetos extraños ingeridos en el túnel, no dañan el tren de accionamiento hidráulico, ya que el sistema, de inmediato alivia cualquier sobrecarga de transmisión.

El accionamiento hidráulico es sencillo, eficiente y extremadamente suave. El primer motor de la bomba hidráulica de conducción puede ser un motor no eléctrico reversible o un motor a velocidad constante, porque el sistema de transmisión de la hélice controla la velocidad y la dirección de rotación. El primer motor impulsa una bomba hidráulica, que a su vez impulsa la hélice, y en el medio están los conductores de fluidos. No hay árboles de transmisión, engranajes, rodamientos ni otros componentes mecánicos que puedan fallar. El sistema hidráulico es virtualmente libre de mantenimiento y proporciona años de buen funcionamiento, aunque el régimen de trabajo se lleve a cabo en los ambientes marinos más duros.

Estos sistemas tienen muy pocas piezas de rotación. El simple diseño de la unidad hidráulica directa, sin derecho de transmisión angular del engranaje o eje motor, proporciona una fiabilidad extrema y un fácil mantenimiento. No existe ningún mantenimiento programado del sistema hidráulico y los componentes principales, a diferencia de otros sistemas en que éste debe existir. Como ejemplo de ello, todos los rodamientos están lubricados por el propio fluido hidráulico, por lo que no hay que comprobar los niveles de grasa o aceite. La transmisión hidráulica separa y amortigua las vibraciones del motor y la hélice.

9.1 Sistemas de potencia hidráulica.

El sistema motor-hidráulico es muy fiable, siempre que esté bien diseñado y el fluido hidráulico se mantenga muy limpio y dentro de los límites normales de

temperatura. Es importante utilizar la norma ISO-46 contra la prima de grado de desgaste de fluido hidráulico. Los fallos de algunos de estos sistemas esta causado por una limpieza inadecuada o insuficiente, especialmente en las tuberías y en el fluido hidráulico.Los propulsores hidráulicos de túnel pueden ser alimentados por un lazo abierto o por un sistema hidráulico de circuito cerrado. El sistema más simple y menos costoso es un sistema de lazo abierto, utilizando una bomba de desplazamiento y un control direccional de la válvula. La válvula de solenoide es operada y controlada con una señal eléctrica desde el control.

Esquema de un circuito de accionamiento hidráulico.

La ventaja de estas aplicaciones es que el control del empuje es proporcional a la demanda. Esto significa que la orientación aumenta proporcionalmente al control que se hace desde el control. Esto se puede lograr con un sistema de lazo abierto utilizando una válvula de control direccional, o con un sistema hidráulico de circuito cerrado.

En un sistema de lazo abierto, los medidores de la válvula son proporcionales a la cantidad de flujo dirigido a la hélice, y su caudal es directamente proporcional a la velocidad de la misma. Cuando se utiliza una bomba hidráulica de desplazamiento fijo, el exceso de caudal producido por la bomba se descarga a través de la válvula de alivio. Por ejemplo, cuando la hélice funciona a la mitad de su velocidad no absorbe más del 20% de su potencia nominal, sin embargo, la bomba hidráulica sigue produciendo flujo que va dirigido en parte a la válvula de alivio. Esto significa que más del 80% de la energía que se disipa, produce mucho calor y ruido.

El sistema hidráulico más eficiente es un circuito cerrado de transmisión hidrostática. Este es el sistema más caro y sin embargo, el más utilizado para conducir los propulsores de túnel, además este sistema no utiliza ninguna válvula de control direccional. La señal eléctrica desde el mando va directamente a la bomba y a los controles de flujo. Las tuberías de la bomba se conectan directamente a las tuberías principales, y así el líquido del propulsor hidráulico puede fluir en cualquier dirección, proporcionando una respuesta de control suave y rápido proporcional al empuje.

9.2 Ventajas de los motores hidráulicos.

Los motores hidráulicos son mejores que los eléctricos en lo que a términos de respuesta, eficiencia y facilidad de mantenimiento se refiere. Además, la propulsión hidráulica es más económica en muchas aplicaciones.

Normalmente en los sistemas de propulsión hidráulica, el equipo propulsor puede estar instalado en la zona más conveniente del buque, mientras que el motor principal de la bomba hidráulica puede estar instalado en la sala de máquinas, optimizando así la distribución del peso y eliminando la exigencia de una habitación adicional. Este sistema no necesita ejes o acoplamiento para alinear, ni requisitos adicionales para la ventilación, la iluminación o las rejillas.

9.3 Otras alternativas.

Aunque los sistemas más utilizados en la actualidad sean los motores eléctricos e hidráulicos a los que ya hemos hecho referencia, debido a que son los que mejor se avienen a nuestras exigencias, cabe tener en cuenta que los motores de combustión interna (a partir de ahora MCI) también podrían ser utilizados en éste ámbito

Mediante la instalación de motores de combustión interna, el sistema evita diversos problemas, por ejemplo, la demanda de potencia en el momento de arranque, y los problemas asociados con el aislamiento de los bobinados.

Para un propulsor transversal convencional, el MCI se puede montar en el mismo nivel que la hélice para dar un impulso directo a través de un equipo reductor. En caso de que el espacio del lugar destinado a ubicar el MCI sea limitado, se puede hacer un control de la velocidad a través de una rejilla de combustible y una caja de reducciones.

De todas formas, los motores diesel, no se han convertido en los grandes accionadores de las hélices de proa, debido a su peso, consumo, tamaño, contaminación y mantenimiento.

Los MCI con potencias necesarias para estos sistemas tienen mayor peso que los motores eléctricos, teniendo en cuenta que el peso de un MCI incluye todos los componentes para su funcionamiento como por ejemplo el tanque de uso diario de combustible o los tubos de ventilación y salida de humos.

El espacio disponible en los túneles es muy reducido y los MCI tienen mayor envergadura que los eléctricos con igualdad de potencia.

10 MANTENIMIENTO DEL SISTEMA

10.1 Hélices de proa.

A lo largo del ciclo de vida de las hélices de proa se observa claramente como su servicio va empeorando con el transcurso del tiempo, aún cuando no surjan averías importantes en ellas. Por ello, es necesario aplicar un adecuado mantenimiento en la medida de lo posible.

Normalmente este tipo de sistemas no permiten realizar un mantenimiento total “in situ”, ya que las condiciones meteorológicas y de trabajo no facilitan el acceso al mismo cuerpo de las palas. Es por eso que se ha dotado a este sistema de maniobra, de largas horas de funcionamiento con pocas necesidades de mantenimiento.

Llegados a este punto, es obvio descubrir que todos los tipos de mantenimiento serán aplicados durante el tiempo de estancia en dique seco. Durante las reparaciones, estos sistemas están sometidas a un estricto control, supervisado por un inspector que asegure se cumplan todos los estándares de la Sociedad de Clasificación.

El mantenimiento se realizará a los posibles efectos del fouling, rugosidades, corrosión, erosión, oxidación, ensuciamiento, aumento de los pesos, movimientos de las piezas, holguras, hasta conseguir que la hélice post-reparada tenga un aspecto como de nueva y un rendimiento óptimo

Las palas son una parte muy importante del conjunto mecánico del sistema de proa pero también hay que considerar la caja de engranajes, todas las empaquetaduras, los acoplamientos, los sellos y los rodamientos.

Las transmisiones por engranajes son elementos valiosos que pueden llegar a ser muy caros, además de críticos para el proceso productivo. Es recomendable realizar una inspección diaria de estos sistemas con el fin de detectar posibles anomalías antes de que se produzca un daño más costoso. Esta inspección debe basarse en la observación de posibles fugas de lubricante y de ruidos inusuales. Por ejemplo, en el caso de detección de una fuga, debe detenerse el engranaje, corregir la causa y verificar el nivel de lubricante; por otro lado, el caso de ruidos inusuales son pruebas de vibraciones y golpes que no deberían ocurrir. Se debe examinar el engranaje hasta determinar la causa y realizar su corrección. En el sistema de hélices de proa, parece imposible realizar este tipo de observación, por consiguiente, deben hacerse todas estas actuaciones cuando el buque entra en astillero. Del conjunto de engranajes hay que detectar posibles desgastes, fluencias, estriados, fatigas o en el caso más extremo la falta de algún diente y subsanar estos defectos.

Efectos de la corrosión y del fouling.

Las empaquetaduras, se cambiarán en el caso en que se detecte en ellas un mal funcionamiento, como pueden ser las pérdidas en el arranque, la desaparición de algún anillo, la falta de material en algunas caras o pérdidas inexplicables. Posteriormente hay que montar la empaquetadura nueva, ponerla en marcha y ajustarla.

Es muy importante verificar el estado de alineación de los acoplamientos, ya que la correcta alineación alarga la vida en servicio y mejora el rendimiento de la transmisión. Consiste en observar que los ejes estén paralelos, es decir, que no haya desviación ni desalineación radial y que sean coaxiales.

10.2 Ruido y vibraciones. Los propulsores de túnel tienen mala reputación por ser ruidosos. Dado que algunos propulsores se utilizan sólo durante cortos períodos de tiempo, un propulsor con altos niveles de ruido, en ocasiones puede llegar a ser aceptable para ciertas aplicaciones.

Sin embargo, hay muchas aplicaciones donde el ruido es extremadamente indeseable, incluso si se utiliza sólo en cortos espacios de tiempo. También hay muchas embarcaciones que utilizan sus propulsores túnel durante períodos más largos, como los buques con sistema de posicionamiento dinámico o de barcos de pesca que utilizan sus propulsores mientras tiran las redes

10.3 Corrosión.

La corrosión se define como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroquímico por su entorno. De manera más general, puede entenderse como la tendencia general que tienen los materiales a buscar su forma más estable o de menor energía interna. Siempre que la corrosión esté originada por una reacción electroquímica, la velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna medida de la temperatura, de la salinidad del fluido en contacto con el metal y de las propiedades de los metales en cuestión. Por eso, en los buques hay que tener muy en cuenta el factor de la corrosión, ya que el medio marino, es uno de los ambientes más agresivos que hay.

Corrosión por erosión.

La corrosión por erosión se produce cuando el movimiento del medio corrosivo sobre la superficie metálica incrementa la velocidad de ataque debido al desgaste mecánico. La importancia del desgaste mecánico y la corrosión, a menudo es difícil de establecer y varía enormemente de una situación a otra. El mecanismo de la erosión generalmente es atribuido a la remoción de películas superficiales protectoras, como por ejemplo, películas de óxido formadas por el aire, o bien, productos adherentes a la corrosión.

Corrosión por cavitación.

La cavitación tiene efectos negativos que afectan a las palas de las hélices (exceptuando los casos en los que se diseña a propósito) tendiendo a asimilarlas con un aspecto esponjoso. Al penetrar las burbujas de vapor en una región de altas presiones, como la que hay inmediatamente aguas abajo del disco del propulsor, producen ondas de choque que atacan superficialmente a la pala de la hélice. Además trabajando la hélice en régimen permanente tienden a formarse microchorros de burbujas que atacan directamente la superficie de las palas.

La erosión por cavitación empieza normalmente generando rugosidad y deterioro de las palas, posteriormente deformación plástica, hasta dejarlas con un aspecto característico de piel de naranja (orange peeling). La deformación plástica está causada por la acción de los microchorros y ondas de choque generados al colapsarse las burbujas de vapor. Ésta deformación, en regímenes permanentes genera fatiga mecánica del material, que induce a su colapso.

Corrosión intergranular. Para entender este tipo de ataque es necesario considerar que cuando un metal fundido se cuela en un molde, su solidificación comienza con la formación de núcleos al azar, cada uno de los cuales crece en un arreglo atómico regular para formar lo que se conoce con el nombre de granos o cristales.

El arreglo atómico y los esparcimientos entre las capas de los granos, son los mismos en todos los cristales de un metal, sin embargo, debido a la nucleación al azar, los planos de los átomos en las cercanías de los granos no encajan perfectamente bien y el espacio entre ellos recibe el nombre de límite de grano.

Corrosión por dezincificación (dezincification o descincificación).

La dezincifiación es un tipo de corrosión en el que uno de los componentes de una aleación es eliminado preferentemente por la corrosión. La dezincificación es característica en la aleación de cobre y zinc donde estos componentes no están presentes como constituyentes separados, sino como una aleación de alfa y beta en soluciones sólidas. Esta corrosión está caracterizada por el hecho de que uno de los componentes de la aleación se elimina selectivamente dejando al otro detrás.

Corrosión por fouling o biofouling.

El fouling o biofouling es la unión de un organismo u organismos a la superficie en contacto con el agua durante un período de tiempo. Esta explicación parece bastante sencilla, pero hay varios organismos que causan la contaminación biológica y ésta afecta a muchos tipos de superficies.

Efectos del fouling.

Aspecto de la hélice con fouling.

Aspecto de la hélice después de una reparación.

Posición de los ánodos de sacrificio.

12. Mantenimiento del sistema eléctrico.

Las máquinas eléctricas asíncronas son las más robustas y por tanto, las que menor mantenimiento precisan de todas las máquinas rotativas. Sin embargo,

debido a su uso generalizado en todo tipo de plantas industriales, su aplicación en procesos críticos para la producción, y el hecho de que algunas de las averías que puedan padecer son destructivas para el conjunto de la máquina, el conocimiento de su estado interno se ha convertido en una necesidad si se desea alargar su vida útil y evitar paradas intempestivas.

Las averías más frecuentes son los fallos mecánicos, asimetrías rotóricas, defectos en el sistema aislante y fallos en los núcleos magnéticos.

Los fallos mecánicos corresponden a averías en los cojinetes, aflojamiento en los elementos de sujeción del paquete magnético, desalineación de ejes, desequilibrio del rotor y regímenes anómalos de vibración.

Las asimetrías rotóricas se pueden definir como la rotura o agrietamiento de las barras o anillos de la jaula rotórica y las modificaciones en el tamaño del entrehierro conocidas como excentricidades estática y dinámica. Puesto que este tipo de fallos producen alteraciones en el campo magnético de la máquina, y éstas inducirán fuerzas electromotrices en el estator, podrá ser detectado principalmente mediante el análisis espectral de las corrientes de alimentación.

Los defectos del sistema aislante van desde la presencia de contaminación o humedad, falta de compactación del muro aislante, defectos de aislamiento en las zonas sometidas a mayores esfuerzos dieléctricos y mecánicos.

Los fallos del paquete magnético consisten en la degradación del aislamiento que existe entre chapas, lo que origina la presencia de puntos en los que es posible la circulación de corrientes parásitas y, por tanto, se produce un elevado calentamiento del núcleo.

Para poder realizar todos los tipos de mantenimientos, es necesario disponer de unos instrumentos y técnicas de medidas. Entre los más utilizados están los analizadores, el ohmímetro que es un medidor de aislamiento conocido vulgarmente como megóhmetro, el generador de ondas de choque, termografía infrarroja y análisis modal.

13. Mantenimiento del sistema hidráulico.

Para este tipo de instalaciones es muy importante inspeccionar la temperatura del fluido hidráulico ya que no debe superar los 82ºC aproximadamente en cualquier parte del sistema. A temperaturas más altas, el líquido puede comenzar a deteriorarse, y la viscosidad es muy baja para la lubricación de la bomba y los componentes del motor. Siempre y cuando el líquido permanezca limpio, es decir, que no contenga agua, se mantendrá por debajo de esta temperatura y no habrá necesidad de sustituir el líquido por uno de nuevo.

Para evitar calentamientos se recomienda instalar un enfriador en la línea de retorno al tanque. Por ejemplo un sistema de hélice de 150 CV se calentará a una velocidad de unos 4º por minuto durante el funcionamiento.

Para determinar con facilidad la temperatura del fluido hidráulico se utiliza un termómetro de infrarrojos. Los termómetros infrarrojos permiten medir temperaturas sin tocar los elementos, facilitando así, su uso en cualquier momento y lugar, con las precauciones de considerar bien el área de medición y la reflectividad de la misma (evitar las superficies metálicas sin pintar).

También hay que verificar, con regularidad, el nivel del fluido, su contaminación por agua, el estado de limpieza del filtro y prestar atención al ruido del equipo ya que éste y su variación son buenos indicadores del desgaste y de la aparición de averías.

La presencia de aire en los circuitos hidráulicos da lugar a un funcionamiento irregular y aceleración del proceso de desgaste, por ello, inmediatamente después de la puesta en marcha del sistema es necesario purgar el aire. La indicación de que el sistema está correctamente purgado y exento de aire es la salida de un flujo continuo y limpio de aceite por el grifo de purga.

Después de la realizar los trabajos de reparación y mantenimiento en la instalación, es recomendable hacer un lavado de la instalación.

Conclusión

Podemos llegar a la conclusión que Las hélices de proa son de gran importancia para la navegación ya que al maniobrar un barco a baja velocidad, el control necesario de los movimientos de la embarcación, especialmente los de la proa, es extremadamente difícil de lograr. En tales casos, una hélice de proa es la solución ideal al problema. Incluso cuando el barco no está en marcha, el control completo de los movimientos del arco se puede lograr mediante la operación la hélice de proa.

Una hélice de proa ofrece una fuerza de empuje lateral-direccional. Con el fin de asegurar el mejor rendimiento bajo toda clase de condiciones meteorológicas y del agua, la hélice de proa debe ser capaz de proporcionar una fuerza de empuje que es conveniente, o mejor dicho, suficiente para que el barco en el que se ha instalado,